1. 서 론
일반콘크리트가 갖는 여러 문제점, 즉 인성 및 연성 부족 등의 문제점을 보완하고자 고인성섬유보강콘크 리트(ductile fiber reinforced cementitious composites: DFRCC)의 활용에 대한 연구가 최근에 활발히 진행 되고 있으며, 고기능 보수 및 보강재 등 다양한 용도 에 사용되고 있다(Yun, et al., 2004). 여러 가지 형상 비를 가진 PVA 섬유를 이용하여 DFRCC에 대한 여 러 기능을 실험하였다. 섬유를 적절량 사용하는 경우 휨인성 및 연성 강화 효과가 있는 것으로 나타났으며, 섬유길이가 상이한 종류를 혼합하여 사용함으로 그 효과를 배가시킬 수 있다는 실험결과를 발표하였다. 1.6%의 짧은 섬유와 0.4%의 긴 섬유가 혼합된 실험 에서 가장 높은 휨성능 및 연성을 나타내었고, 특히 충격하중의 경우 일반 콘크리트에 비해 그 성능이 우 수하다고 보고했다. 단섬유와 장섬유의 효과적인 역할 분담으로 인하여 파괴까지 에너지 흡수 능력이 가강 좋았다(Kim et al., 2009). 최근 철근 콘크리트 구조의 여러 문제점을 극복하 고자 재료적인 측면과 구조적인 측면을 모두 고려한 합성시스템을 개발하려는 노력이 시도되고 있다. 이중 고내구성 및 고내식성의 장점을 갖는 섬유강화폴리머 (fiber reinforced polymer: FRP)를 건설재료로 인식하 여 사용하고자 하는 것은 비교적 최근 일이다(Bank, 2006). 미국에서는 사각 중공 FRP 단면을 영구거푸집 과 인장재로 활용하고 FRP 격자로 보강한 합성구조 를 연구하였으며, 허니콤(honeycomb) 샌드위치 구조 의 FRP 합성구조체 모델 개발과 재료 물성치를 산정 하는 연구를 수행하였고, FRP 보강 철근콘크리트 합 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 7, No. 1, pp. 25-31, March 2016
DOI http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.1.025
탄소섬유 FRP판과 현장타설 고인성섬유보강콘크리트 사이의
단순 부착슬립 관계
유준상1 · 유승운2
가톨릭관동대학교 토목공학과 석사과정1, 가톨릭관동대학교 토목공학과 교수2
Simple Bond Stress and Slip Relationship between CFRP Plank and
Cast-in-Place DFRCC
Yoo, Jun-Sang1 · Yoo, Seung-Woon2
1Graduate Student, Department of Civil Engineering, Catholic Kwandong University, Gangneung, Korea 2Professor, Department of Civil Engineering, Catholic Kwandong University, Gangneung, Korea
Abstract: Bond stress between cast-in-place ductile fiber reinforced cementitious composites and CFRP plank were
experimentally analyzed. As failure shape, the mixture of failure between CFRP plank and epoxy, and failure between concrete and epoxy was shown. In case of RFCON from the suggested simple bond slip relationship, the maximum average bond stress was 5.39MPa, the initial slope was 104.09MPa/mm, and the total slip length was 0.19mm. PPCON showed the maximum average bond stress of 4.31MPa, the initial slope of 126.67MPa/mm, and the total slip length of 0.26mm, while RFCON+ appeared to have 8.71MPa, 137.69MPa/mm, 0.16mm. PPCON+ had 6.19MPa maximum average bond stress, 121.56MPa/mm initial slope, and 0.34mm total slip length. To comprehend the behavior of composite structure of FRP and concrete, local bond slip relation is necessary, and thus a simple relation is suggested to be easily applied on hybrid composite system
Key words: ductile fiber reinforced cementitious composites, CFRP, bond stress, slip
주요어: 고인성섬유보강콘크리트, CFRP, 부착응력, 슬립 Corresponding author: Yoo, Seung-Woon
Department of Civil Engineering, Catholic Kwandong University, Gangneung, Gangwon 210-701, Korea Tel: +82-33-649-7513 , Fax: +82-33-642-3359 , E-mail: [email protected]
성구조체를 평가하였다(Bank, et al., 2010; Cheng, et al., 2005; Kitane, et al., 2004). 또한 FRP 바닥판 시 공 시 합리적이며 경제적인 강재 거더와의 연결방법 을 검토하기 위해 연결지점 조건에 대한 하중재하 실 험 및 해석을 수행하였으며, 사각형 모듈을 기본으로 평판이론을 도입하여 FRP 바닥판 해석을 위한 유한 요소 모델을 개발하였다. FRP는 기존 콘크리트 구조 믈의 보수보강용으로 많이 사용되었고 이에따른 부착 성능평가가 이루어지고 있다(Utui and Kim, 2011). 또 한, 최근 이들의 장점 살려 신설 구조물에 이를 합성 한 합성구조시스템이 최근 국내외적으로 널리 연구되 고 있으며 실제 적용한 사례가 빈번히 보고되고 있으 며 보다 합리적 해석 및 설계를 위해 국내외적으로 합성시스템의 부착응력 평가에 많은 노력을 경주하고 있다(Nakaba, et al., 2001; Shao, et al., 2005)
본 연구에서는 CFRP 판과 현장타설 DFRCC 사이
의 부착응력에 대한 실험(Park and Yoo, 2014) 결과 를 분석하여 수치해석적 응용에 활용하기에 편한 간 단한 부착슬립 관계를 제시하고자 한다. 2. 부재 제작 및 부착응력 실험 2.1 실험개요 본 실험에 사용된 섬유보강재는 N사의 제품으로 형상 및 재료특성치는 Fig. 1과 Table 1과 같다. PVA(polyvinyl acohol)계열인 RF4000을 사용한 경우 RFCON으로 명명하였으며, PP(polyolefin/polypropylene) 계열의 섬유를 사용한 시편은 PPCON, RF4000과 RSC15를 혼입한 시편은 RFCON+, PP와 RSC15를 혼 입한 시편은 PPCON+로 표기하여 실험을 진행하였다. 친수성 물질 인 PVA계열 섬유는 고인장력과 내알카 리성 특성을 갖고 있으며, PP계열의 섬유는 상섬유와 달리 부식의 우려가 없는 구조용 섬유보강재로 많이 사용되고 있다. 시험체의 배합설계표는 Table 2와 같 다(Park and Yoo, 2014).
(a) RF4000 (b) RSC15 (c) PP-macro
Fig. 1 Shape of PVA and PP-macro
Fiber Type Color Weight Length(mm) Diameter(
) Tensile strength (MPa) Elastic modulus (GPa) RF4000 PVA yellow 1.3 30 600 900 28 RSC15 PVA white 1.3 8 40 1,300 37 PP-macro PP white 0.91 48 0.5~1.0 450 5.6
Table 1. Fiber Material Property
Concrete
Type Fiber Type W CMix Proportion (Kg/m3)S G SP fiber RFCON RF4000 178.5 478.2 695.2 960.0 7.2 2.6 PPCON PP 178.5 478.2 695.2 960.0 7.2 18.2 RFCON+ RF4000+RSC15 178.5 478.2 695.2 960.0 9.6 +1.31.3 PPCON+ PP+RSC15 178.5 478.2 695.2 960.0 9.6 +1.30.9
Table 2. Concrete Mix Design
시험체 제작에 사용한 고인성섬유보강콘크리트의
압축강도 실험결과의 평균 최대 압축응력은 29.45∼
35.33MPa이고 휨 인장강도 실험의 평균 최대 인장응
력은 2.42∼3.26MPa로 나타났으며, 상세한 내용은
Table 3에 표시하였다.
RFCON PPCON RFCON+ PPCON+
Compressive Strength 34.69 29.45 35.33 32.73 Tensile Strength 3.26 2.42 3.05 3.02
Table 3. Compressive and Tensile Strength (MPa)
2.2 실험 시편 실험시편 본체의 크기는 1000x100x150mm이며, 실 험장치는 Fig. 2과 같다. Fig. 3과 같이 FRP판과 현장 타설 섬유보강콘크리트의 부착실험은 한쪽면을 앵커 로 고정시켜 인장력이 작용하게 고안하였으며, 사용 한 CFRP 판은 S사의 제품을 사용하였고, 기계적 성 질은 Table 4에 나타내었다. 본 연구에서는 합성구조 시스템의 부착거동을 가장 유사하게 모사하는 보휨실 험(beam bending test) 방법을 사용하였다.
Fig. 3 Preparation of FRP Plank
Fiber
Type Thickness(mm) Tensile Stress (MPa) Elastic Modulus (GPa)
Carbon 2.4 3000 165.0
Table 4. Mechanical Properties of CFRP
CFRP 판의 처리방법은 CFRP 판을 폭 60mm, 길 이 800mm로 재단 후 CFRP 판에 S사의 에폭시를 도 포한 후 시편에 4∼7mm 골재를 그 위에 살포 하였 다. 완성된 CFRP 판을 거푸집으로 하여 고인성 섬유 보강콘크리트의 실험시편을 제작 하였다. 에폭시의 성질은 Table 5과 같고, 실험에 사용된 실험시편의 분 류는 Table 6과 같으며, 실험변수는 4가지 종류이며 각각 2개씩 총 8개의 실험시편을 제작하였다. Tensile Stress (MPa) Compressive Stress (MPa) Shear Stress
(MPa) Gel Time(min)
Elogation at Break
(%)
77.9 84.0 18.3 65 4.8
Table 5. Properties of Epoxy
Specimen No. FRP Type Concrete Type
CF11 2 CFRP RFCON
CF12 2 CFRP PPCON
CF13 2 CFRP RFCON+
CF14 2 CFRP PPCON+
Table 6. Type of Specimen
2.3 실험계측 및 파괴형상 실험계측은 시험체에 부착한 전기저항식 스트레인 게이지와 변위계, 하중계를 통해 계측되었다. 스트레 인게이지의 부착은 시편 중앙 부위에 게이지 1번을 부착하고 FRP와 콘크리트가 만나는 시작점에 2번 게 이지 그 후로 15mm 간격으로 부착하였다. Fig. 2에서 와 같이 양단을 단순지지조건 상태에서 중앙부분에 하중을 가력하여 FRP와 콘크리트가 부착파괴가 발생 하도록 고안되었다. 중앙부분의 하중 변화에 따라 설 치된 스트레인게이지에서 변형률을 계측하였다.
Fig. 4 Position of Strain Gauge
파괴형상은 Fig. 5과 같이 CFRP 판과 에폭시, 콘크 리트 사이의 파괴가 혼합된 형태이다. 섬유 종류에 따른 특별한 파괴형상은 보이지 않았고 분리가 일어 나지 않은 부분의 미세균열은 전반적으로 골고루 분 포되는 형태를 보이고 있었다.
Fig. 5 Failure Shape of CF11, CF12, CF13 and CF14
3. 부착응력과 슬립 관계 3.1 국부 부착응력-슬립 관계
시험체의 각 부분에 설치된 스트레인게이지에서 변 형률을 계측하였다. 실험시편의 변형률 분포는 각 시 편마다 차이는 있으나 전체적으로 비슷한 결과를 나 타났다(Park and Yoo, 2014). 콘크리트와 에폭시, CFRP 사이에서 분리가 일어나며 미세균열이 전체에 걸쳐 분포되어 부착이 옆으로 전달되면서 부착응력 값이 분산되는 형태를 보여 주었다.
면적에 대한 인발력으로 구할 수 없고 다음의 식에 의해 계산된다. FRP 판을 선형탄성으로 가정하면 국 부 부착전단응력은 식(1), 슬립은 식(2)로 표현 가능하 다(Dai et al., 2005). (1)
(2) 여기서 , t, E, , 는 각각 응력, 두께, 탄성계수, 변형률 및 슬립이다. 스트레인게이지가 부착된 구간에서 위 식에 의해 응력과 슬립을 계산한다(Dai et al., 2005). 부착응력은 처음부분에서 최대 값을 보이다 가력하중이 증가함에 따라 부착파괴가 발생하여 최대응력 값이 부착의 끝 부분으로 이동하는 현상이 발생하나 후반부에서는 급 속한 전체 파괴가 발생하였다. 3.2 인발력, 계면파괴에너지 및 부착응력 인발력(pullout force)의 산정은 전체 시험체의 평형 방정식에 의한 방법과 한가운데 부착된 스트레인게이 지로 계산하는 방법이 있는데 본 연구에서는 전체 평 형방정식을 이용해 인발력을 계산하였으며 Fig. 7과 같다. (CF11-1) (CF11-2) (CF12-1) (CF12-2) (CF13-1) (CF13-2) (CF14-1) (CF14-2)Fig. 7 Pullout Force-End Slip Curve
계면 파괴에너지(, interfacial fracture energy)는 부착파괴 특성을 알려주는 변수 중 가장 중요한 것으 로 판단되며, 다음과 같이 표현 된다(Dai et al., 2005). (3) 여기서 는 계면파괴 에너지, P, b, E, t는 각각 인발력, 폭, 탄성계수 및 두께 나타낸다.
Specimen Bond Stress Average Bond
Stress G2-G3 G3-G4 G4-G5 G5-G6 CF11 No.1 6.66 4.53 0.88 1.23 3.33 No.2 1.73 18.00 2.64 7.37 7.44 CF12 No.1 2.46 0.05 5.08 1.23 2.21 No.2 11.26 3.92 8.70 1.71 6.40 CF13 No.1 3.67 3.72 7.01 14.96 7.34 No.2 5.58 8.75 14.23 11.72 10.07 CF14 No.1 2.94 5.00 8.77 13.53 7.56 No.2 3.57 4.40 9.55 1.76 4.82
Table 7. Bond Stress Between G2 and G6 Gage (MPa)
1번 스트레인게이지의 경우 선단에 위치하여 FRP 판의 휨에 의한 오차를 내포하고 있고, 7번 스트레인 게이지 이후의 경우 부착간격이 동일 간격이 아니며 급격한 파괴에 의해 데이터의 신뢰성이 낮으므로 2∼ 6번 게이지를 중심으로 계측자료를 분석하였다. 구간 전체에 대해 평균값으로 평가하면, RFCON의 CF11 경우는 3.33∼7.44MPa, PPCON의 CF12는 2.21∼ 6.40MPa이 나타났으며, RFOCN+의 CF13은 7.34∼ 10.07MPa, PPCON+의 CF14는 4.82∼7.56MPa 정도의 평균부착응력이 나타났으며 자세한 내용은 Table 7에 나타내었다. 4. 단순부착응력과 슬립 관계 2∼6번 게이지 구간에서 도출된 국부 부착응력 및 슬립곡선은 Fig. 6에 나타내었다. 구간별 국부 부착응 력 곡선들은 다소 분산되는데, 이와 유사한 현상은 노후 구조물의 보수보강을 위해 FRP를 에폭시로 외 부보강한 공법의 부착특성에도 발견되는 현상이다 (Teng et al., 2002). 1번 및 7번이후의 측정값들은 다소 많은 오차를 내 포하고 있으므로, 좀 더 신뢰성이 있는 구간인 2~6번 구간에서 측정한 변형률 값을 가지고 CFRP 판과 현 장타설 고인성섬유보강콘크리트 사이의 부착특성을 분석한다.
Fig. 8 Several Simple Attachment Model
일반적으로 부착모델로서 Fig. 8과 같은 단순 관계 식들이 많이 제안되고 있다(Teng et al., 2002). 그 중 (c)의 2중직선 관계식이 실험결과에 근접하며 사용하 기 편리한 관계식이라 판단되므로 이에 근간하여 단 순 부착응력 괴 슬립 관계를 제안하고자 한다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 부착응력과 슬립 관계 에서 응력 증가부분에서는 신뢰성 있는 값을 보여주 나, 최고값 이후의 경우 급격한 부착파괴에 따라 계 측 데이터에 많은 오차를 내포하고 있다. 본 연구에 서는 초기 응력 증가단계까지는 계측된 변형률 값에 근거한 부착응력 값을 사용하고 최고점 이후 응력이 감소하는 부분은 파괴에너지 개념을 활용한다.
Specimen Gradient(MPa) GradientAverage G2-G3 G3-G4 G4-G5 G5-G6 CF11 No.1 110.31 85.20 120.49 67.13 95.78 No.2 61.63 139.11 131.40 117.40 112.39 CF12 No.1 87.99 0.00 147.69 140.52 94.05 No.2 238.36 6.32 231.22 162.00 159.47 CF13 No.1 62.38 162.29 134.12 249.64 152.11 No.2 75.93 0.02 278.05 139.09 123.27 CF14 No.1 67.16 120.58 125.40 196.51 127.41 No.2 75.58 86.04 165.90 135.27 115.70
Specimen Fracture Energy (kN/m) Bond Stress (MPa) Gradient (MPa/mm) (mm)Slip CF11 0.51 5.39 104.09 0.19 CF12 0.56 4.31 126.76 0.26 CF13 0.70 8.71 137.69 0.16 CF14 1.05 6.19 121.56 0.34
Table 9. Fracture Energy and Slip (After Peak Point)
Fig. 10 Suggestion of Bond and Slip Curve
최고점에 이르는 초기 단계에서는 실험값이 일관적 이므로 계측된 변형률에 근거한 부착응력과 슬립 관 (CF11-1) (CF11-2) (CF12-1) (CF12-2) (CF13-1) (CF13-2) (CF14-1) (CF14-1)
하는 부분은 파괴에너지개념에 의한 식(3)을 이용하여 산출한 결과를 Table 9에 기술하였다. 실험체 종류별 각각에 대한 단순 부착응력과 슬립 관계는 Fig. 10과 같다. 5. 결론 CFRP 판을 가지고 콘크리트와 부착응력에 대해 실 험분석을 하였으며, 파괴형상으로 CFRP 판과 에폭시 사이의 파괴와 현장타설 섬유보강콘크리트와 에폭시 사이의 파괴가 혼합된 형태이다. 제안된 단순 부착슬립 모델에서 RFCON의 경우 최 대 평균 부착응력은 5.39MPa이고, 초기 경사는 104.09MPa/mm이며 총 슬립량은 0.19mm로 나타났다. PPCON의 최대 평균 부착응력은 4.31MPa이고 초기 경사는 126.67MPa/mm이며 총 슬립량은 0.26 mm로 나타났으며, RFCON+은 최대 평균 부착응력 8.71MPa, 초기 경사는 137.69MPa/mm, 총 슬립량은 0.16mm로 나타났다. PPCON+는 최대 평균 부착응력 6.19MPa, 초기경사는 121.56MPa/mm, 총 슬립량은 0.34mm로 나타났다. 계면 파괴에너지는 CF11, CF12, CF13의 경우 각각 0.51kN/m, 0.56kN/m, 0.70kN/m로 나타났으며, CF14 의 계면 파괴에너지는 1.05kN/m로 가장 큰 계면파괴 에너지를 보여주었다. CFRP 판과 콘크리트의 합성구 조 거동을 이해하기 위해 국부 부착-슬립 관계가 필 요하며, 이에 따라 하이브리드 합성시스템에 간단하 게 적용시킬 수 있는 단순 부착응력 및 슬립 관계를 제시하였다. ACKNOWLEDGMENT 본 연구는 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업 (No.2013R1A1A2010852)으로 이에 감사드립니다. REFERENCES
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